4/29/20251物聯網及其開展4/29/20252什么是傳感網〔物聯網〕？物聯網，根本上就是我們以前稱為傳感網的網絡。IBM在前年提出，美國總統奧巴馬上臺以后，為了解決經濟危機，接過這一事物，提出“智慧地球〞的概念；溫家寶總理2021，8視察江蘇無錫時，提出把“智慧中國〞的中心建在無錫。江蘇省委和省政府非常重視。正在全力貫徹落實。近日，傾向于把物聯網稱為傳感網。傳感器網、傳感網、物聯網、互聯網、因特網：關聯和區別；4/29/20253什么是傳感網〔物聯網〕？傳感器網：把各種傳感器連接起來的網絡，這種連接可以是無線，也可以是有線；目前學界對于傳感器網、傳感網、物聯網尚無一個明確的定義；可以認為，傳感網強調以感知為目的，物聯網傾向于傳感器的連接為特征；但是兩者都是以互聯網為根底的。但是對于互聯網、因特網那么有科學的定義；INTERNET；因特網Internet；互聯網4/29/20254什么是物聯網？4/29/20255什么是物聯網？物聯網將各種信息傳感設備、控制設備，例如射頻識別裝置〔RFID〕、紅外感應裝置、全球定位系統〔GPS〕、激光掃描器等與互聯網結合起來形成一個不僅僅是人在使用，也可以把各種其它信息〔不僅僅是文字、語言、數字、圖像〕通過互聯網進行傳遞、處理、存儲、檢測等。以提高人類社會的信息化、自動化水平。物聯網的用途廣泛，普及智能交通、環境保護、政府政務、公共平安、平安家居、智能消防、工業檢測、病老護理、個人健康等多個領域。業界普遍認為物聯網是繼計算機、互聯網、移動通信網之后的又一次信息產業浪潮。4/29/20256什么是物聯網？物聯網的要素，首先是要把物體連接到網上；其次是要把這個物體的信息傳到互聯網上；物聯網的工作，就是獲取信息、傳送信息、處理信息、存儲信息、顯示信息；美國的研究機構Forrester預測，物聯網的產業價值和規模，要比互聯網大30倍，將會形成下一個萬億元級別的產業；4/29/20257傳感網與無線通信4/29/20258傳感網與無線通信4/29/20259傳感器的種類信息〔例如RFID中的各種讀卡器〕溫度、溫限壓力測力、壓力、重力；液位、水位測量、流體、流量電機保護光敏荷重、稱重傳感器閘門開度〔高度〕4/29/202510傳感器的種類氣體、氣味、口臭、室內空氣、風速濕度灰塵紅外漏電、電導PH值4/29/202511傳感器的種類酒精AQS環境控制鹵素濃度生物傳感器熱學量位置、安防光纖光柵指紋、觸摸4/29/202512傳感器的種類磁阻傾角視覺、圖像壓電、靜電、電流、電壓加速度霍爾位置微波4/29/202513物聯網的工作模式物聯網的工作模式較多，但是目前主要分為射頻識別〔射頻標簽〕RFID和ZigBee，因為國際標準化組織目前主要在這兩種應用中制定了一系列的標準；射頻識別〔射頻標簽〕RFID主要是應用讀卡器和應答器之間的信息傳輸完成工作；ZigBee那么主要是工作于網絡系統；4/29/202514RFID射頻識別是無線電頻率識別的簡稱，即通過無線電波進行識別。RFID系統中，識別信息存放在電子數據載體中，電子數據載體稱為應答器。應答器中存放的識別信息由閱讀器讀出。閱讀器不僅可以讀出存放的信息，而且可以對其進行寫入，讀寫過程是通過雙方之間的無線通信來實現的。4/29/202515RFID應答器〔射頻卡或標簽〕射頻卡

4/29/202516RFID應答器〔射頻卡或標簽〕標簽4/29/202517RFID閱讀器〔讀寫器或基站〕4/29/202518RFIDRFID的根本原理框圖射頻卡或電子標簽讀寫器或基站4/29/202519RFID的工作頻率RFID的工作頻率可劃分為：1、LF：低頻30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高頻3－30MHz，工作頻率為13.56MHz;3、UHF：特高頻300MHz－3GHz，工作頻率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高頻3－30GHz，工作頻率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作頻率分布圖

LF1MHFUHF1G1K4/29/202520電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式電感耦合

閱讀器應答器電感耦合方式的電路結構信息4/29/202521電感耦合方式RFID的工作原理1、閱讀器為有源工作，應答器無源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射頻源VS的諧振頻率；3、閱讀器L2的磁場變化產生電壓整流后供閱讀器使用；4、閱讀器向閱讀器的數據傳輸采用內部的二進制數據編碼信號控制開關S，使得負載電阻R2被接通或者斷開，通過耦合使L1產生變化的電壓，經調制、解碼即可；5、閱讀器向閱讀器的數據傳輸，是通過數字調制的方式實現的，多采用ASK〔幅頻監控〕的方式；4/29/202522電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式負載調制

負載調制的原理示意圖4/29/202523反向散射耦合RFID工作方式目標的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合電源電路用于吸收耦合的功率；4/29/202524反向散射方式RFID的工作原理聲外表波〔SurfaceAcousticWave，SAW〕器件是以壓電效應和與外表彈性相關的低速傳播的聲波為依據。4/29/202525反向散射方式RFID的工作原理聲外表波應答器以壓電效應和防止彈性相關的低速傳播的聲波為依據，加以體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較高，并且可采用與集成電路芯片工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，工藝的一致性好，靈活性高；4/29/202526反向散射方式RFID的工作原理換能器的作用是將電信號轉換為聲波。它利用壓電襯底在電場作用下的膨脹和收縮效應。指狀電極上的電位差形成電場。射頻信號一起雅典襯底的振動，從而沿其外表產生聲波，經反射返回換能器在轉換成射頻脈沖的序列的電信號，經偶極子天線回傳至閱讀器；4/29/202527RFID諧波檢測法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于電子防盜系統諧波法原理

4/29/202528RFID射頻識別的應用系統構架1、最簡單的應用系統只有單個閱讀器，它一次對一個應答器進行操作，如公交汽車上的票務操作。2、較復雜的應用需要一個閱讀器可同時對多個應答器進行操作，即要具有防碰撞〔亦稱防沖突〕的能力。3、更復雜的應用系統要解決閱讀器的高層處理問題，包括多閱讀器的網絡連接。4/29/202529RFID應答器的主要性能參數工作頻率讀/寫能力編碼調制方式數據傳輸速率信息數據存儲容量工作距離多應答器識讀能力〔亦稱防碰撞或防沖突能力〕平安性能〔密鑰、認證〕等。4/29/202530RFID無源、半無源與有源應答器無源應答器：不附有電池，從閱讀器發出射頻能量中提取工作所需的電能。采用電感耦合方式的應答器多為無源應答器。半無源應答器：內裝有電池，起輔助作用，對維持數據的電路供電或對應答器芯片工作所需的電壓作輔助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器。有源應答器：工作電源完全由內部電池供給，同時內部電池能量也局部地轉換為應答器與閱讀器通信所需的射頻能量。4/29/202531RFID應答器電路的根本結構4/29/202532RFID閱讀器的功能1、以射頻方式向應答器傳輸能量；2、從應答器中讀出數據或向應答器寫入數據；3、完成對讀取數據的信息處理并實現應用操作；4、假設有需要，應能和高層處理交互信息。4/29/202533RFID閱讀器的電路組成

4/29/202534RFID天線天線的目標是取得最大的能量傳輸效果。RFID系統所用的天線類型主要有偶極子天線、微帶貼片天線、線圈天線等。在應答器中，天線和應答器芯片封裝在一起。4/29/202535RFID4/29/202536RFIDRFID的應用RFID應用領域廣泛，且每種應用的實現，都會形成一個龐大的市場，因此可以說射頻識別是一個重要的新的經濟增長點。目前，RFID在票務系統〔城市公交車、高速公路收費、門票等〕、收費卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、家政、食品平安追溯、藥品、礦井生產平安、防盜、防偽、證件、集裝箱識別、動物追蹤、運動計時、生產自動化、商業供給鏈等眾多領域獲得廣泛重視和應用。4/29/202537RFIDRFID的應用第二代身份證4/29/202538RFID4/29/202539——胡錦濤2006-04-18美國西雅圖微軟“未來之家〞4/29/202540RFID的ISOIEC標準4/29/202541RFID標準涉及的內容4/29/202542RFID標準的分類4/29/202543RFID的ISOIEC標準4/29/202544ISO/IEC10536：密耦合CICC非接觸式IC卡標準〔緊靠〕ISO/IEC14443：近耦合PICC非接觸式IC卡標準<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接觸式IC卡標準約50cmISO/IEC18000系列標準〔基于物品管理RFID的空中接口參數〕ISO/IEC18000－1：空中接口一般參數ISO/IEC18000－2：低于135KHz頻率一般空中接口參數ISO/IEC18000－3：13.56MHz頻率下的空中接口參數ISO/IEC18000－4：2.45GHz頻率下的空中接口參數ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口參數ISO/IEC18000－7：433MHz頻率下的空中接口參數4/29/202545ISO/IEC制定的RFID數據內容標準ISO/IEC15424：數據載體/特征標識符ISO/IEC15424：EAN、UCC應用標識符及ASCMH10〔ANSI標準〕數據表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒體用的傳送語法ISO/IEC15424：物品管理的唯一標識號ISO/IEC15424：數據協議：應用接口ISO/IEC15424：數據編碼規那么與邏輯存儲功能協議ISO/IEC15424：射頻標簽〔應答器〕的唯一標識4/29/202546ISO/IEC制定的RFID性能標準ISO/IEC18046：RFID設備性能測試方法ISO/IEC18047：有源和無源的RFID設備一致性測試方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443標準對非接觸式IC卡進行參數的方法4/29/202547ISO/IEC制定的RFID應用標準4/29/202548RFID的ISOIEC標準4/29/202549RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介非接觸式IC卡三種非接觸式IC卡標準標準卡的類型閱讀器作用距離ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD緊靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD約50cm4/29/202550RFID的ISOIEC標準4/29/202551RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介物品識別標準ISO/IEC18000：空中接口的重要標準，無線頻段〔頻率〕有6個，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距離從數厘米至十多米不等ISO/IEC18001：給出了應答器的外形要求ISO/IEC10374：微波應答器的集裝箱識別標準，工作頻率范圍為850~950MHz以及2.4~2.5GHz，應答器的靈敏度以最大電場強度150mV/m定義，最大可閱讀距離為13m4/29/202552RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介國際標準ISO/IEC14443近耦合非接觸式IC卡的國際標準用于身份證和各種智能卡、存儲卡ISO/IEC14443標準由四局部組成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射頻能量4/29/202553RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介ISO/IEC14443-4傳輸協議TYPEA型PICC激活過程RATSATSPPS〔協議和參數選擇〕請求4/29/2025546RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介PCD激活TYPEA型PICC4/29/202555RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693疏耦合射頻卡〔VICC〕的國際標準物理特性〔機械特性，物理尺寸，抗紫外線、X射線和電磁射線能力，彎曲和扭曲性能〕空中接口與初始化防碰撞和傳輸協議命令擴展平安特性4/29/202556RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信4/29/202557RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693空中接口和初始化副載波：單副載波時，副載波的頻率423.75kHz；在使用雙副載波時，頻率484.28kHz數據速率位表示和編碼：采用曼徹斯特碼編碼方式

VICC到VCD的通信4/29/202558RFID的ISOIEC標準SOFEOF4/29/202559RFID的ISOIEC標準傳輸協議唯一標識符〔UID〕：由制造商永久地設定應用族標識符〔AFI〕：由VCD鎖定的應用類型數據存儲格式標識符〔DSFID〕：指出了數據在VICC內存中的結構CRC：初始值為FFHVICC內存結構：可尋址塊達256個，塊大小可至256位，最大內存容量可達64kb〔8kB〕。塊平安狀態：由VICC作為對VCD請求的響應參數返回4/29/202560RFID的ISOIEC標準VICC狀態斷電〔Power-Off〕、就緒〔Ready〕、靜默〔Quiet〕、選擇〔Selected〕4種狀態4/29/202561RFID的ISOIEC標準防碰撞時隙數為16的典型防碰撞處理過程

4/29/202562RFID的ISOIEC標準防碰撞VCD發送目錄命令的請求幀，時隙數設置為16。VICC1在時隙0返回應答，因只有這一個VICC應答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存儲。VCD發送EOF，指示下一個時隙開始。在時隙1，VICC2和VICC3進行應答，發生了碰撞。VCD檢測到碰撞，并記錄該時隙發生了碰撞。VCD再發送EOF，進入時隙2。4/29/202563RFID的ISOIEC標準在時隙2，無VICC應答，VCD未檢測到VICC的應答的SOF，因此VCD通過發送EOF，進入時隙3。在時隙3，VICC4和VICC5應答，產生了碰撞。VCD決定發送尋址請求〔例如讀塊請求〕給VICC1〔VICC1的UID已被UCD正確接收〕。所有VICC都檢測到對VICC1請求的SOF，它們都處理這個請求，但只有UID匹配的VICC1才返回應答，其他的VICC那么退出防碰撞序列。所有VICC準備接收下一個請求。如果又是一個目錄命令的請求，那么又從時隙0開始按上面步序執行。4/29/202564RFID的ISOIEC標準ISO/IEC18000-6標準定義了閱讀器和應答器之間的物理接口、協議、命令及防碰撞機制。標準包含兩種通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：數據編碼幀格式調制

4/29/202565RFID的ISOIEC標準應答器向閱讀器的數據傳輸數據編碼幀格式前同步碼、標志、參數、數據、CRC4/29/202566RFID的ISOIEC標準強制命令及狀態轉換INITROUND命令NEXTSLOT命令：確認已被識別的應答器；指示所有處于循環激活狀態的應答器對它們的時隙計數器加1并進入下一個時隙NEWROUND命令：指示在循環準備和循環激活狀態的應答器進入循環激活狀態，復位它們的時隙計數器為1，進入新的循環；指示在選擇狀態的應答器變遷到靜默狀態，在靜默和就緒狀態的應答器仍維持它的狀態4/29/202567RFID的ISOIEC標準CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：確認來自一個應答器的有效應答，并指示該應答器進入選擇狀態，閱讀器可以發送選擇標志為1的讀寫命令等對此應答器進行操作；指示所有處于循環激活狀態的應答器進入循環準備狀態，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到來，重新進入循環激活狀態進入新的循環4/29/202568RFID的ISOIEC標準強制命令及狀態轉換SELECT〔bySUID〕命令：無論應答器原先處于場內哪個狀態〔不含離場狀態〕，接收到該命令且SUID匹配時進入選擇狀態，并發回應答幀；SUID不匹配的應答器不發回應答幀，當它處于循環激活狀態時變遷到循環準備狀態，處于選擇狀態時變遷到靜默狀態，處于就緒、靜默或循環準備狀態時保持狀態不變READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：獲取應答器的有關系統信息4/29/202569RFID的ISOIEC標準TYPEA的防碰撞過程1、啟動防碰撞過程：閱讀器發出INITROUND命令啟動防碰撞過程，在命令中給出循環空間大小2、參與防碰撞過程的應答器對命令的處理4/29/202570RFID的ISOIEC標準3、閱讀器發出INITROUND命令后出現的三種可能情況閱讀器在一個時隙中沒有檢測到應答幀時，它發出CLOSESLOT命令。閱讀器檢測到碰撞或錯誤的CRC時，在確認無應答器仍在傳輸應答的情況下，發出CLOSESLOT命令。閱讀器接收到一個應答器無過失的應答幀時，它發送NEXTSLOT命令，命令中包括該應答器的簽名，對此已被識別的應答器進行確認，使它進入靜默狀態以便循環的繼續4/29/202571RFID的ISOIEC標準4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而簽名不匹配的參與循環的應答器將自己的時隙計數器加1并和所選擇的隨機數比較以決定該時隙是否發回應答幀，并根據本次循環時的時隙延遲標志決定發回應答幀的時延4/29/202572RFID的ISOIEC標準TYPEA的防碰撞過程5、閱讀器按第〔3〕步中的三種情況處理，直至該循環結束〔到達了循環空間預置值〕6、一個循環結束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重復循環標志位置為1，那么自動開始一個新的循環。如果重復循環標志位為0，閱讀器可以決定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令繼續進行循環以完成防碰撞過程7、在一次循環中，閱讀器可以通過發送STANDBYROUND命令來確認簽名匹配的應答器的有效應答，并指示該應答器進入選擇狀態，同時讓簽名不匹配的應答器進入循環準備狀態，以便在后續命令來到時將循環繼續。4/29/202573RFID的ISOIEC標準TYPEB〔與TYPEA相類比〕物理接口命令和應答的幀格式數據元素應答器的存儲器應答器的狀態命令強制和推薦的命令防碰撞算法4/29/202574RFID

的ISO

IEC標準TYPEBTYPEB防碰撞流程4/29/202575RFID的ISOIEC標準ISO/IEC18000-7標準物理層使用窄帶UHF頻段。載波頻率為433.92MHz±20ppm采用FSK調制方式，頻率偏移為±35kHz，邏輯0的頻率為fc〔載波頻率〕－35kHz，邏輯1的頻率為fc＋35kHz。數據位采用曼徹斯特編碼，數據速率為27.7kbps閱讀器和應答器之間的通信采用主從方式數據鏈路層4/29/202576RFID的ISOIEC標準數據鏈路層前同步碼：包含20個周期為60μs的脈沖，高電平30μs，低電平30μs數據字節：包括8個數據位和一個停止位，采用曼徹斯特編碼，位持續時間為36μs，字節周期〔含停止位〕為324μs。CRC碼：多項式為x16+x12+x5+1包結束符4/29/202577RFID的ISOIEC標準命令格式閱讀器命令格式

域命令前綴命令類型擁有者ID應答器ID閱讀器ID命令編碼參數CRC位長字節（31H）1字節3字節4字節2字節1字節N字節2字節4/29/202578RFID的ISOIEC標準應答格式對播送命令應答的信息格式對點到點命令應答的信息格式域應答器狀態信息長度IntID應答器ID擁有者ID用戶ID數據CRC位長2字節1字節2字節4字節3字節0~16字節0~N字節2字節域應答器狀態信息長度IntID應答器ID命令編碼參數CRC位長2字節1字節2字節4字節1字節N字節2字節4/29/202579什么是ZigBee？4/29/202580什么是ZigBee？4/29/202581什么是ZigBee？4/29/202582什么是ZigBee？4/29/202583什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三種工作方式，即個域網協調器、路由器、終端設備。一個ZigBee網絡最多可以包含256個ZigBee網絡節點，包括一個主控設備，其余是附屬設備。通過網絡協調器，那么可以支持64000個ZigBee網絡節點，網絡協調器還可以相互連接，所以適合大面積的傳感器網絡；適于網絡的自配置：ZigBee可以采用網絡協調器自動建立網絡，絕對數北可以隨時參加和退出，適于自配置、自組織的網絡4/29/202584什么是ZigBee？平安模式：提供循環冗余〔CRC〕的數據包完整性校驗，支持鑒權和認證，通過三級平安處理：第一級：無平安方式；第二級：設備可以使用接入控制列表〔ACL〕防止非法設備獲取數據，本級不加密；第三級：在數據傳輸中采用AES－128的對稱密碼來保護數據凈荷，防止攻擊者假冒合法設備；4/29/202585什么是ZigBee？4/29/202586ZigBee的應用4/29/202587ZigBee的協議架構－802.15協議簇LR-WPAN：無線個域網，屬于低速無線個域網，協議屬802.15：：中速無線個域網，蘭牙；：高速無線個域網，超寬帶，〔UWB〕：低速無線個域網，LR-WPAN，主要為電源能力受限、吞吐量要求不高、無線應用提供低本錢的連接；4/29/202588ZigBee的協議架構－802.15協議簇共27個信道：2450MHz16g個,915MHz10個，868MHz1個；支持250kbps、40kbps、20kbps三種速率；支出星狀網絡結構和點對點的對等網絡結構；分配16位短地址或16位擴展地址；支持時隙保證機制，通過預留保證時隙〔GTS〕提供無競爭媒體訪問，或實現CSMA/CA以防止競爭；確認握手保證傳輸的可靠性；低功耗，可以能量檢測；有鏈路質量指標；4/29/202589ZigBee的網絡拓撲○○○●●●●●●PAN協調器○●○PAN協調器LR-WPAN的網絡拓撲簡化功能設備RFD全功能設備FFD●星狀拓撲點對點對等網絡拓撲4/29/202590ZigBee的簇樹網絡－多個鄰近簇連接成網●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN協調器CID1CID2CID3CID4CID5簇首設備ZigBee的簇樹網絡4/29/202591ZigBee協議架構ZigBee協議包括：：物理層協議；媒體訪問控制層：MAC；ZigBee聯盟：網絡層〔NWK〕應用層